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溶液处理的 n 型导电聚合物

科学新知:2022 Nature (IF 49.962), 透过溶液处理达到超高电导率的n型导电聚合物!

  自掺杂聚乙炔的开创性工作以来,具有高导电性和溶液可加工性的导电聚合物(Conducting polymer,CP)已经取得了巨大的进步,从而开创了「有机合成金属」的新领域。各种高性能的CP已经被实现,这使得一些有机电子器件的应用成为可能。为了实现高导电的n型导电聚合物(n-CPs),应该同时获得高效的电子传输和高载流子浓度。到目前为止,已经实现具有里程碑电导率达到100 S cm-1的n-CP。然而,大多数高性能的n-CP具有复杂的化学结构,需要繁琐的掺杂程序,涉及多个合成步骤和无氧条件,限制了从研究到大规模商业生产的技术过渡。目前,要实现具有千级电导率和金属状态的n-CP且能与p型CPs相媲美仍然是一个挑战。这就要求在开发n-CP方面取得突破性进展。

  研究者们于2022年在Nature发表一篇研究。此处,作者们提出了一种易于合成的高导电性n型聚合物聚(苯并二呋喃二酮)(PBFDO)。该反应结合了氧化聚合和原位还原n型掺杂,大幅提高了掺杂效率,每重复单元可达到近0.9个电荷掺杂水平。结果发现:

1.所得聚合物具有超过2,000 S cm-1的突破性电导率,具有出色的稳定性和出乎意料的溶液加工性,无需额外的侧炼或表面活性剂。

2.此外,对PBFDO的详细调查显示了连贯的电荷传输特性和金属状态的存在。

  进一步证明电化学晶体管管和热发电机的基准性能,从而为n型CP在有机电子中的应用铺平了道路。

 

复合氧化聚合和还原n掺杂的可能机制

结合氧化聚合和还原n掺杂合成PBFDO的可能机制。该反应从 TMQ 促进的内酯通过自由基途径二聚开始,然后是氧化脱氢。随着氧化聚合的进行,形成的聚合物可以同时掺杂生成的 TMQH。掺杂还使掺杂的聚合物可溶于 DMSO。

PBFDO-a-Log-log-plot 的温度相关电导率和霍尔测量

PBFDO 的温度相关电导率和霍尔测量值,a,W(T) 与 PBFDO 薄膜温度的对数图。虚线表示绝缘体和金属的特性。 b,低温下的导电性能。 c,霍尔测量示意图。 d,霍尔电阻 VH/I 在 20 至 323 K 的各种温度范围内测量。 e,电导率的温度依赖性 (σ)。 f,假设理想霍尔效应,逆霍尔系数 RH-1 和平均载流子浓度的温度依赖性。 g,根据 μH = RHσ 估计的霍尔迁移率 μH 的温度依赖性。

PBFDO 在不同温度下的 Py-IR 光谱。

PBFDO 在不同温度下的 Py-IR 光谱。

本文关键词:导电聚合物、Conducting polymer、导电性、conductivity、有机电子、organic electronic、掺杂效率、doping efficiency

原文:https://doi.org/10.1038/s41586-022-05295-8

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